计算机控制技术课程设计报告 - 图文

《计算机控制技术》课 程 设 计

单闭环直流电机调速系统

1 设计目的

计算机控制技术课程是集微机原理、计算机技术、控制理论、电子电路、自动控制系统、工业控制过程等课程基础知识一体的应用性课程，具有很强的实践性，通过这次课程设计进一步加深对计算机控制技术课程的理解，掌握计算机控制系统硬件和软件的设计思路，以及对相关课程理论知识的理解和融会贯通，提高运用已有的专业理论知识分析实际应用问题的能力和解决实际问题的技能，培养独立自主、综合分析与创新性应用的能力。

2 设计任务

2.1 设计题目

单闭环直流电机调速系统

实现一个单闭环直流电机调压调速控制，用键盘实现对直流电机的起/停、正/反转控制，速度调节要求既可用键盘数字量设定也可用电位器连续调节，需要有速度显示电路。扩展要求能够利用串口通信方式在PC上设置和显示速度曲线并且进行数据保存和查看。 2.2 设计要求 2.2.1 基本设计要求

（1）根据系统控制要求设计控制整体方案；包括微处理芯片选用，系统构成框图，确定参数测范围等；

（2）选用参数检测元件及变送器；系统硬件电路设计，包括输入接口电路、逻辑电路、操作键盘、输出电路、显示电路；

（3）建立数学模型，确定控制算法； （4）设计功率驱动电路；

（5）制作电路板，搭建系统，调试。 2.2.2 扩展设计要求

（1）在已能正常运行的微计算机控制系统的基础上，通过串口与PC连接； （2）编写人机界面控制和显示程序；编写微机通信程序；实现人机实时交互。

3方案比较

方案一：采用继电器对电动机的开或关进行控制。这个方案的优点是电路较为简

单，缺点是继电器的响应时间慢、机械结构易损坏、寿命较短、可靠性不高。

方案二：采用电阻网络或数字电位器调整电动机的分压，从而达到调速的目的。

但是电阻网络只能实现有级调速，而数字电阻的元器件价格比较昂贵。更主要的问题在于一般电动机的电阻很小，但电流很大；分压不仅会降低效率，而且实现很困难。

方案三：采用由电力电子器件组成的H型PWM电路。用单片机控制电力电子器件使之工作在占空比可调的开关状态，精确调整电动机转速。这种电路由于工作在电力电子器件的饱和截止模式下，效率非常高；H型电路保证了可以简单地实现转速和方向的控制；电子开关的速度很快，稳定性也极佳，是一种广泛采用的PWM调速技术。

兼于方案三调速特性优良、调整平滑、调整范围广、过载能力大，因此本设计采用方案三。

4单闭环直流电机调速系统设计

4.1单闭环调速原理 4.1.1 闭环系统框图

4.1.2 调速原理

U?IdRURa??Id?n0??n直流电机转速有： Ke?Ke?Kd?常数Ke Ka不变，Ra比较小。 U a ? I a ? U a 所以调节Ua就能调节n。

n?

4.2 系统框图

4.3系统基本原理

通过键盘按键控制电机的启停、正反转、加速和减速，单片机接收键盘信号与反馈信号进行比较处理，也可以通过电位器调速，将模拟调节量转换为数字量后送给单片机处理，电机的速度由传感器测量后回馈给单片机处理，单片机接收到各路信号后控制显示器显示特定的内容，同时控制电机驱动电路工作，从而控制直流电机的转速。

5系统硬件电路设计

5.1电机驱动电路

电机驱动电路主要有L298N和四个二极管组成，其中PWM驱动原理如下

i.

Ud是有效值，调节占空比就能调节Ud进而调节n.

ii. PWM驱动器由L298来实现的，L298是SGS公司的产品，比较常见的是15脚Multiwatt封装的L298N，内部同样包含4通道逻辑驱动电路。可以方便的驱动两个直流电机，或一个两相步进电机。

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iii． 如图4，L298的封装和功能表。通过改变C、D的状态来改变电机的正反转

和急停和调节占空比进而调速；Ven直接接高电位。是对C、D分别输出0和PWM波或者PWM波和0来进行的，初始化的占空比为50%。

5.2 测速电路

图5测速整形电路

测速电路用自制的光电编码盘，通过红外接收发射管和施密特触发器组成。当接收管接收到发射管发出的低电平信号，再通过施密特整形送给单片机的INT0，进而通过程序进行计算速度。

5.3 显示电路

图6 LCD显示电路

LCD 1602显示电路用于显示转速设定值与当前值。

5.4 键盘

图7键盘控制电路

0-9按键为数值的设定，CLR为后退按键，ENT为确定键，KEY为键盘输入按键，REP为电位器调速按键，RUN为运行/正转按键，F为运行/反转按键， STOP为停止按键。

5.5 模拟调速电路

图8 模拟调速电路

模拟调速电路由电位器分压输出给定电压，再经过AD转换器ADC0831输入的单片机中。

5.6 电源电路

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图9 电源电路

6V /0.5A的外部输入电压Vin经过由MC7805ACK与两个由470Pf、一个100uf的电解电容组成的稳压电路，稳压成5V的电压，供系统使用。

5.7 串口通信电路

图10 串口通信电路

主要用来烧写程序进去单片机。MAX232将ttl电平转换成可以和电脑串口匹配的电压。从而与PC机进行通信。

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图11 STC-ISP

上图位stc单片机专用ISp下载软件。

5.8 晶振和复位电路

图12 晶振和复位电路

左边为复位电路、右边为12M的晶振电路，这两块与单片机组成最小系统。

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6 软件设计

? 如图12，主程序是先初始化LCD1602和中断，然后进入转速设定和调节循环。

其中INT0中断是用来测试辅助的，TO和T1配合参数PWM波和调节占空比（其中PWM为一个8位二进制数0-255），转速的反馈调节主要是进行优化的P调节。

? 如题13和图14，是T0和T1的中断服务程序，TO设定256us的循环和初始化

T1，然后对电机进行正转、反转、停机(急停)三个判断；T1中断服务程序只负责关闭T1中断。

? 如图14，外部中断INT0处理调理好的测试脉冲，中断服务程序对每一个测速脉

冲对变量n进行加+，返回到主函数的测速程序。

? PWM的优化型P控制算法，对转速比较尽兴分级调节，当实际值无设定值相差

超过1000rpm时PWM调整15，相差超过500rpm时调整10，相差超过300时

调整6，相差超过100时调整2，相差小于100时调整1。

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图12 主程序程序框图

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7 电路与程序仿真和软件调试

7.1 Proteus仿真电路

可以导入HXE文件，对编写好的程序和电路图进行仿真。

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7.2Keil程序编写与编译。

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8 硬件焊接与调试

8.1 焊接与高度

? 单片机最小系统的焊接，成功后进行下一步。

? 串口通信电路焊接，焊完进行串行通信，通过与PC机进行通信、刷写程序进入

单片机，成功进行下一步。

? 键盘电路与LCD1062显示电路焊接，程序已经写进单片机里面，可以进行参数

设置来检查按键与显示是否正常，成功进行下一步。

? 模拟调速电路焊接，焊完进行模拟调速设置，从显示器能观察是否正常。 ? 电机驱动电路焊接，焊完进行调试，发现电机接上之后系统不稳定，经分析发现

是电源功率不足，电源是一个6V0.5A的小型电源，正好驱动芯片L298的电源电路分开供电，用另外的电源给电机供电，改装完后系统正常，进行下一步。 ? 测速电路焊接，连接到单片机后一切正常。

? 整体焊接完成后对软件进行实物调试，通过不断的运行测试和重新刷写程序，主

要克服的问题有：调速反应迟钝、速度显示精度、PWM调试算法。 ? 成品系统。

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